設(shè)計-俊版開題報告俊

1、一、課題背景與研究意義近幾十年，由于航工以及其他工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)材料已經(jīng)很難完全滿足其使用需求，而復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能受到越來越多的關(guān)注。所謂的復(fù)合材料是指由兩種或者多種具有不同性質(zhì)的材料使用物理或者化學(xué)方法利用先進(jìn)的技術(shù)形成的具有新性能的材料，這些新性能有些是原來的組分材料所沒有的。相比于傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料具有許多不同的優(yōu)良性能例如較高的比強(qiáng)度、可設(shè)計性好、制造工藝簡單、耐高溫、熱穩(wěn)定好等等。因而被廣泛地應(yīng)用于航空航天、橋梁、航海、汽車、建筑等領(lǐng)域。在很久以前人類就已經(jīng)開始使用根據(jù)經(jīng)驗制造而成的復(fù)合材料，如古代的寶劍就是使用了復(fù)雜的澆筑技術(shù)形成的金屬復(fù)合材料，還有身邊常見的陶瓷

2、、鋼筋混凝土等。現(xiàn)代先進(jìn)復(fù)合材料的研究最先是出于飛機(jī)方面的要求，為了能夠在保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的前提下盡量減輕結(jié)構(gòu)材料的自重從而使飛機(jī)飛行性能得到較大的。而現(xiàn)代先進(jìn)復(fù)合材料剛好滿足這方面的要求，較高的比強(qiáng)度，可設(shè)計性好。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上使用復(fù)合材料不僅僅能夠減輕飛機(jī)重量，減少燃油、維修成本以及延長飛機(jī)的使用，而且還能滿足某些特殊性能譬如達(dá)隱身。圖 1-1 幻影 2000比如現(xiàn)在在航空航天領(lǐng)域使用最多的復(fù)合材料碳復(fù)合材料，它的特點是強(qiáng)度夠高、重量輕而且由它生產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時產(chǎn)生的機(jī)械振動小、噪音小。而航空航天領(lǐng)域?qū)@方面要求特別高，碳復(fù)合材料較高的比強(qiáng)度能夠使飛機(jī)的能耗更少降低使用成本與此同時提高了飛機(jī)

3、的續(xù)航性和航速。碳復(fù)合材料的耐高溫性能特別突出，比如發(fā)射的外罩就大部分是大量利用了碳復(fù)合材料。根據(jù)資料，碳在航空航天領(lǐng)域使用的比列情況如圖 1-2 所示圖 1-2 碳復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用情況隨著經(jīng)濟(jì)增長人民生活水平的提高，以飛機(jī)作為的代步工具被越來越多的人使用。正是基于這樣比較旺盛的需求下，飛機(jī)需求數(shù)量的提高帶動了對復(fù)合材料量的增長不妨來看看近幾年來全球碳在航空航天方面的需求變化圖 1-3 所示圖 1-3 近幾年碳復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的需求趨勢回顧歷史，在 70 年代中期以前由于此時對復(fù)合材料研究相對滯后力學(xué)性能還比較低。直至后來以碳為增強(qiáng)體的先進(jìn)復(fù)合材料誕生于 70 年代中期，碳復(fù)

4、合材料擁有許多適合航空方面的要求的性能譬如優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐高溫和腐蝕、疲勞強(qiáng)度高，從而開啟了復(fù)合材料在航空領(lǐng)域運(yùn)用的新時代。目前，復(fù)合材料主要運(yùn)用航空器的尾翼、機(jī)身、導(dǎo)流罩、機(jī)翼以及裝飾結(jié)構(gòu)上面。資料統(tǒng)計顯示，如果飛機(jī)總重量的 50%都是復(fù)合材料的話，那么全機(jī)大部分的結(jié)構(gòu)件都是復(fù)合材料生產(chǎn)出來的，比如B-2轟炸機(jī)。圖 1-4 復(fù)合材料在B-2 轟炸機(jī)上的利用圖 1-5隱身DDG1000復(fù)合材料在航空的領(lǐng)域開始發(fā)展逐漸延伸至其他工業(yè)領(lǐng)域，作為船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生，也更應(yīng)該關(guān)注復(fù)合材料在船舶建造方面的使用情況。復(fù)合材料在軍艦上應(yīng)用時具有許多突出的性能譬如其優(yōu)良的力學(xué)性能能提高軍艦在惡劣環(huán)境下的

5、能力，耐腐蝕性能好可耐酸堿腐蝕以及海水的電化學(xué)腐蝕同時海洋生物也難以在上面附著生長著很大程度延長了船舶的；大幅度的減重為軍艦提高更快的航速使其具有更好的機(jī)動性能；優(yōu)良的聲、磁、電性能透波、透聲性好、無磁性能夠運(yùn)用到艦艇的隱身方面；并且運(yùn)用復(fù)合材料的軍艦其費(fèi)用遠(yuǎn)低于鋼制艦艇和木制船舶。如瑞典建造的最長的也是最重的全復(fù)合材料艦級艦，全世界第一艘在艦艇結(jié)構(gòu)上有效使用碳復(fù)合材料的軍艦，它使用的是復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)也就是玻璃和碳混合增強(qiáng)的聚合物薄板，然后在上面包敷聚氯乙烯芯層，碳建造而成的上層建筑能夠為維比斯艦提供有效的電磁防護(hù)，從而提高整體軍艦的隱身性能 。Visby 級在制造成本不會大幅度增加的情況下

6、利用碳把艦艇的重量減輕了 30%左右。對該艦自重的減輕提高了艦船的性能如續(xù)航性以及降低了該艦艇的使用成本。不僅如此，復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用還滲透到船舶的各方面結(jié)構(gòu)如上層建筑、桅桿、螺旋槳、槳軸系統(tǒng)等等。舉例說復(fù)合材料在上層建筑的應(yīng)用既保證了上層建筑的強(qiáng)度又減輕了它的重量從而使上層建筑和船體主體連接處的應(yīng)力集中得到降低進(jìn)而提高船舶整體的強(qiáng)度。螺旋槳由于長期浸沒在海水中易受到海水的腐蝕和海洋水生生物的附著從而使螺旋槳的推進(jìn)性能不如設(shè)計預(yù)期，而復(fù)合材料在螺旋槳的應(yīng)用剛好克服了該局限性。復(fù)合材料在推進(jìn)軸系上的運(yùn)用能夠很好的降低軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的從而降低噪音既提高了船上的工作環(huán)境和艦艇的聲學(xué)隱身性能。在全

7、新研制成功的 DDG 隱身上它的全復(fù)合材料上層建筑就是向內(nèi)傾斜相同的角度從而做到與船體的無縫結(jié)合。隨著復(fù)合材料在工業(yè)構(gòu)件所占的越來越大，結(jié)構(gòu)的連接是不可避免。這時，那么對于整體結(jié)構(gòu)而言復(fù)合材料形成的連接部位就成為整體強(qiáng)度的關(guān)鍵所在。而由于復(fù)合材料各向異性嚴(yán)重，并且影響復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的比較多例如、所受載荷的方向、鋪層方向等，所以對復(fù)合材料連接的研究是復(fù)雜而又不可避免的。目前，復(fù)合材料連接主要有膠接連接、機(jī)械連接、縫合連接、Z-pin 連接和混合連接，其中使用比較廣泛的只有機(jī)械連接和膠接連接。機(jī)械連接是指采用螺釘或者鉚釘講兩個或者兩個以上連接件連接在一起。螺栓連接具有以下優(yōu)點：允許拆卸檢查結(jié)

8、構(gòu)，方便更換或修理組件并且對于如操作溫度、表面處理以及濕度不是很敏感，所以螺栓連接占復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位，在以往的工程中螺栓的使用比情況比鉚釘多一些。鑒于螺栓連接在復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，因此有必要對復(fù)合材料的螺栓連接進(jìn)行重點的研究。通過數(shù)值模擬的方法來研究復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)在單向拉伸載荷時的力學(xué)性能，有利于對復(fù)合材料螺栓連接的設(shè)計和利用進(jìn)行優(yōu)化。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢由于復(fù)合材料螺栓連接在工程應(yīng)用中的大量利用，國內(nèi)外學(xué)者對其各方面諸如失效形式、失效載荷、連接強(qiáng)度等進(jìn)行過許多研究，主要采用的方法有：數(shù)值法、法以及實驗方法。需要特別的是復(fù)合材料螺栓連接是三維問題，只有利用三維

9、方法對其進(jìn)行研究才符合工程中的實際情況。GRUTTA 等利用了 ABAQUS分析了層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)受彎矩作用時的接頭強(qiáng)度。同樣 Federico 等利用了 ABAQUS采納了改善的 Hill 破壞準(zhǔn)則，使用殼單元建立三維模型對鋪層的失效進(jìn)行了研究。Camanho 采用了 ABAQUS建立了螺栓連接的三維模型，較為全面地研究了螺栓連接分層失效形式，得出結(jié)論螺栓預(yù)緊力以及摩擦力對損傷的擴(kuò)展影響很大。同樣的也有較多的國內(nèi)學(xué)者對復(fù)合材料的螺栓連接進(jìn)行了研究利用了 ANSYS 和 Laminate Tools 兩種對復(fù)合材料螺栓連接接頭失效行為進(jìn)行了研究，并研究了沉頭螺栓連接的參數(shù)如沉頭、螺栓直徑和預(yù)

10、緊力對復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。等利用了 ABAQUS研究了預(yù)緊力對復(fù)合材料螺栓連接強(qiáng)度的影響。得出結(jié)論對于螺栓連接在一定范圍內(nèi)連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會隨著預(yù)緊力的增加而增加，但是當(dāng)預(yù)緊力增大到使層合板受到損傷時反而會使螺栓連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低等人利用了 ANSYS建立了復(fù)合材料螺栓連接的三維模型，研究了不同的邊界處理方法對復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，并將數(shù)值結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證舒利用了ANSYS研究了復(fù)合材料螺栓連接的失效行為，并且仔細(xì)分析了螺栓連接的參數(shù)對單剪搭接過程中產(chǎn)生的二次彎曲的影響使用了 ANYSY 并采用了三維漸進(jìn)損傷模型對螺栓連接的失效載荷進(jìn)行了，得出雙剪搭接相對于單剪搭接

11、連接強(qiáng)度更高，并且復(fù)合材料螺栓連接不宜采用較大的端徑比。三、預(yù)計達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、主要研究內(nèi)容、完成課題的方案及主要措施1、預(yù)計達(dá)到的目標(biāo)：利用數(shù)值分析和試驗的方法來了解三維碳復(fù)合材料螺栓連接的失效模式以及不同參數(shù)例如螺栓接合幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)矩、間隙、破壞模式、在接合的獨(dú)立區(qū)域摩擦效應(yīng)以及多螺栓接合的載荷分布對連接強(qiáng)度的影響。2、關(guān)鍵理論和技術(shù)：對復(fù)合材料單螺栓單搭和雙螺栓單搭進(jìn)行符合工程實際的建模。3、主要研究內(nèi)容：利用 ABAQUS 建立復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)有限元模型利用 ABAQUS 計算單螺栓復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度利用 ABAQUS 計算雙螺栓復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度4、完成課題的方案

12、及主要措施：熟悉并掌握 ABAQUS 的基本操作流程查找有關(guān)復(fù)合材料性質(zhì)的材料，從而對該種材料有一定的認(rèn)識使用 ABAQUS 建立復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)有限元模型利用 ABAQUS 有限元對復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析四、課題研究進(jìn)度安排表 1 課題研究進(jìn)度安排表學(xué)期工作任務(wù)第 1 周完成外文翻譯初稿第 2 周完成開題第 3 周第 6 周熟悉并掌握 ABAQUS 的基本操作流程2017第八學(xué)期第 7 周完成綜述和外文翻譯定稿第 8 周第 11 周對研究內(nèi)容進(jìn)行建模計算第 12 周第 13 周完成初稿第 14 周根據(jù)指導(dǎo)老師意見修改第 17 周終期答辯五、主要參考文獻(xiàn)1 唐紅艷,. 復(fù)合材料在艦艇上的

13、國外應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展J.船舶,2006,(02):6-11.2. 復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究與失效分析D.鄭州大學(xué),2014.3 Federico P. A Study oilure Criteria of Fibrous Comite MaterialsJ. 2001.4 CarloG.D.CamanhoPedroP.FailureCriteriaforFRP LaminatesinPlane stressJ. 2003.56會. 7. 復(fù)合材料螺栓連接接頭失效行為研究D.中學(xué),2016.,張建宇. 預(yù)緊力對復(fù)合材料螺栓連接強(qiáng)度的影響研究A.力學(xué)力學(xué)會第二十二屆學(xué)術(shù)年會會議集C.力學(xué)會,2016.,楊. 復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究J. 中國艦船研究,2008,(06):41-44+65.8學(xué),2010.舒. 復(fù)合材料螺栓連接數(shù)值分析及次彎曲效應(yīng)研究D.理工大9 劉夢媛, 劉東勛. T700/3234 層合板力學(xué)性能的研究J.料,2013,(01)